使用MolAICal 进行分子对接

MolAICal

使用MolAICal进行分子对接

作者：MolAICal （update 2021-10-16）

更多教程（含英文教程）请见如下：

MolAICal官方主页：https://molaical.github.io

MolAICal官方主页中国镜像：https://molaical.gitee.io

MolAICal 文章介绍：https://arxiv.org/abs/2006.09747 和 https://doi.org/10.1093/bib/bbaa161

MolAICal中文博客：https://molaical.github.io/cntutorial.html

MolAICal Twitter：https://twitter.com/MolAICal

MolAICal QQ学术讨论群： 1151656349

1.简介

SARS-CoV-2导致2019年冠状病毒病(COVID-19)在世界范围内迅速传播。在本教程中，选择在冠状病毒复制中起重要作用的SARS-CoV-2主蛋白酶(Mpro)作为示例目标。已经报道了SARS-CoV-2Mpro的晶体结构包括PDB ID：6LU7，6Y2F等[1][2]。在本教程中，基于MolAICal （https://doi.org/10.1093/bib/bbaa161）介绍了蛋白质和配体之间的分子对接。在3130复合物的实验结合亲和力的测试中，Autodock Vina的Pearson和Spearman相关系数(rp/rs)为0.5259和0.5421，对于MolAICal，在与Autodock Vina相同测定条件下，rp/rs分别为0.5335和0.5489。这表明MolAICal比Autodock Vina具有较好的“对接”和“排名”能力。

2.材料

2.1软件需求

1)MolAICal: https://molaical.github.io

国内镜像MolAICal: https://molaical.gitee.io

2)UCSF Chimera: https://www.cgl.ucsf.edu/chimera

2.2示例文件

1)All the necessary tutorial files are downloaded from:

https://gitee.com/molaical/tutorials/tree/master/0000-docking

3.步骤

3.1处理受体和配体

1. 打开与配体结合的SARS-CoV-2主蛋白酶文件（PDB ID：6Y2F）：File-->Open（见图1）。

                          图1

        

2. 准备 Mpro 受体并保存名为“protein.pdb”的 Mpro 受体。详细过程如图2所示。

                          图2

                           

3. 准备配体并保存名为“ligand.pdb”的配体。详细过程如图3所示。

                           图3

                           

3.2将受体和配体转换为 PQBQT 格式

1. 使用cd命令切换到protein.pdb所在的文件夹，并使用以下命令获取受体的 PDBQT 格式：

1. #> MolAICal-xxx\molaical.exe -dock receptor -i protein.pdb

复制代码

注意：MolAICal-xxx是您下载的MolAICal版本的目录。

它将生成名为“protein.pdbqt”的文件，该文件具有与“protein.pdb”相同的前缀名称。

2. 使用以下命令获取配体的PDBQT格式：

1. #> MolAICal-xxx\molaical.exe -dock ligand -i ligand.pdb

复制代码

它将生成名为“ligand.pdbqt”的文件，该文件具有与“ligand.pdb”相同的前缀名称。

3.3. 获取对接盒的中心和长度

1. 依次打开protein.pdb和ligand.pdb。 然后打开Chimera的“命令行”：Favorites-->Command Line（见图4）。

                                                               图4

2. 确定配体的开放序列。如果蛋白质首先打开，它将对应于“Active models 0”。 第二个打开对应于“Active models 1”，依此类推（见图5）。 在这里，配体是第二个打开的（“Active models 1”）。将以下命令放入命令行（见图5）：

1. define centroid mass false #1

复制代码

并按“Enter”键。然后，依次点击图5中的序号。它将显示配体的几何中心坐标 (x,y, z) 为(10.879, -0.251, 20.754)。

                           图5

                           

3. 通过 UCSF Chimera确定框大小和中心。

打开盒子工具: Tools-->Surface/Binding Analysis-->Autodock Vina

选择盒子大小: 选择正确的受体（此处命名为“protein.pdb”）和配体（此处命名为“ligand.pdb”）（参见图6）。将上述中心坐标“10.879，-0.251，20.754”填入中心框内（见图6），用户可以尝试大小，直到找出合适的尺寸。

                           图6

                           

注意：用户可以勾选 “Resize search volumeusing button 1, 2 or 3”。按钮1、2或3表示鼠标左键、中键或右键单击。如果用户选择此功能，他们可以通过鼠标调整框大小。如果你对它感兴趣，你可以试试这个功能。

4.假设配置文件名为“conf.txt”，最终的配置文件可以写成：

1. out = all.pdbqt
   
2. cpu = 4
   
3. receptor = protein.pdbqt
   
4. center_x = 10.879
   
5. center_y = -0.251
   
6. center_z = 20.754
   
7. size_x = 20
   
8. size_y = 20
   
9. size_z = 20
   
10. num_modes = 3

复制代码

其中“out”是输出文件名。“cpu”是使用CPU的数量。“receptor”代表受体名称。“num_modes”是生成对接构象的数量。如果“num_modes”为3，它将生成3个配体的对接结构。

3.4  MolAICal 的分子对接

1. 现在MolAICal软包中的MolAICalD用于受体与配体的分子对接：

1. #> MolAICal-xxx\molaicald --config conf.txt --ligand ligand.pdbqt

复制代码

注意：MolAICal-xxx是您下载的MolAICal版本的目录。

在某些情况下，配体分子有很多旋转键，这样就需要多次试验才可以得到较好的对接结果，可以通过多次运行MolAICal找出合适的random seed来得到较好的对接结果, 这个randomseed 可以进一步用来这个靶点的分子对接或虚拟筛选(见图7)。  

                                                                        图7

例如, 本教程中，用户可以用筛选出的random seed：555767984来重复本教程。请输入下面的命令:

1. #> MolAICal-xxx\molaicald --config conf.txt --ligand ligand.pdbqt --seed 555767984

复制代码

2. 将结果拆分为单个分子

1. #> MolAICal-xxx\molaical.exe -tool pdbqt -i all.pdbqt -o ./

复制代码

单个分子被命名为1.pdbqt、2.pdbqt或3.pdbqt等。“1.pdbqt”包含结合亲和力最好的对接构象，以此类推。

用户可以直接通过Pymol 软件查看 1.pdbqt、2.pdbqt 或3.pdbqt。在这里，UCSFChimera 用于检查结果。它需要首先通过MolAICal使用以下命令将“pdbqt”转化为“pdb”格式：

1) 加氢（选项）

1. #> MolAICal-xxx\molaical.exe -dock addh -i 1.pdbqt

复制代码

2) 将“pdbqt”更改为“pdb”格式

1. #> MolAICal-xxx\molaical.exe -dock pdbqt2pdb -i 1.pdbqt

复制代码

用户可以在本教程中对2.pdbqt 和 3.pdbqt使用相同的方式。现在，打开 UCSFChimera 并加载protein.pdb、1.pdb、2.pdb 和 3.pdb：

3) 用户可以通过Favorites-->Model Panel在所有分子加载时选择显示或隐藏分子（见图8）

                           图8

                           

注意：如果用户想分析蛋白质和对接配体之间的相互作用，用户可以选择在protein.pdb上添加氢。

结果显示“1.pdb”有部分结构跟原始配体有叠合，而“3.pdb”与原始配体有相似的重叠部分。这个体系做过分子动力学模拟（见教程MM/GBSA：https://molaical.gitee.io/tutorial.html）。MM/GBSA教程的结果显示原始配体N3的Andricioaei熵值是-84.70646297459386 (kcal/mol)。这表明原始配体N3在SARS-CoV-2Mpro的口袋中是不稳定的。

参考文献

[1]     JinZ, Du X, Xu Y, Deng Y, Liu M, Zhao Y, et al. Structure of Mpro from COVID-19virus and discovery of its inhibitors. bioRxiv. 2020.

[2]     ZhangL, Lin D, Sun X, Curth U, Drosten C, Sauerhering L, et al. Crystal structure ofSARS-CoV-2 main protease provides a basis for design of improvedalpha-ketoamide inhibitors. Science. 2020. doi: 10.1126/science.abb3405. PubMedPMID: 32198291